JP2011090863A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】原料、及び水供給部から水素生成装置に供給される原料、及び水供給量が適正であるかを判断する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】運転制御部１６は、燃料電池８が有する任意の発電量を発電した後の予め設定される期間、燃料電池８を電力負荷の変化に追従させず動作させ、原料供給部４および水供給部３を、予め設定される指示値で動作させ、指示値から予想される予想改質温度と、改質温度検出部２１で検出される検出改質温度との温度差が、所定温度差以上であれば、予め設定される指示値に対応する原料が、原料供給部４から指示通りに供給されていない、または、予め設定される指示値に対応する水が、水供給部３から指示通りに供給されていないと判断し、さらに、原料指示値に対応する原料供給量、または、水指示値に対応する水供給量を補正する機能を持ってなる、または、アラームを外部出力する機能を持ってなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、化石原料等から一酸化炭素濃度の低い水素含有ガスを生成する水素生成装置を備えた燃料電池システムに関する。

分散型エネルギー供給源として、小型装置でも高効率な発電を可能とする燃料電池スタック（以下、単に「燃料電池」という）を用いた燃料電池システムの開発が進められている。燃料電池システムは、発電部の本体である燃料電池に、水素含有ガスと酸素含有ガスとを供給して、水素と酸素との電気化学反応を進行させて発生させた化学的なエネルギーを、電気的なエネルギーとして取り出して発電するシステムである。

一般的に、水素含有ガスはインフラストラクチャーから供給されていない。そこで、従来の燃料電池システムは、既存のインフラストラクチャーから供給される都市ガス又はＬＰＧ等を原料とし、Ｒｕ触媒やＮｉ触媒を用いて６００〜７００℃の温度で水蒸気との改質反応させる改質部を備えた、水素生成装置が設けられている。なお、改質反応により得られる水素含有ガスには、通常、原料に由来する一酸化炭素が含まれ、その濃度が高いと、燃料電池の発電特性を低下させる。そこで、水素生成装置には、改質部の他に、２００℃〜３５０℃の温度で一酸化炭素と水蒸気との変成反応を進行させて一酸化炭素を低減させる、Ｃｕ−Ｚｎ系触媒や貴金属系触媒を備える変成部、及び、１００℃〜２００℃の温度で一酸化炭素を選択的に酸化反応させてさらに一酸化炭素を低減させる、Ｒｕ触媒やＰＴ触媒を備える選択酸化部等の反応部が設けられる。また、燃料電池システムの効率向上のため、燃料電池の発電時にアノードから排出される水素含有ガス（以下、「アノードオフガス」という）を水素生成装置で燃焼させ、改質反応に用いられることが多い。

さて、水素生成装置は、上述のように、改質部、変成部、選択酸化部等で構成されており、定常時、過渡期において、一定量の水素及び一酸化炭素濃度の低い水素を生成するためには、各反応部における触媒の温度を一定範囲内に厳密に制御する必要がある。そこで、改質部、変成部、選択酸化部の下流側近傍に温度検出器を設置し、改質部においてはその温度検出器の検出温度に基づいて改質部の加熱量を増減、選択酸化部においてはその温度検出器の検出温度に基づいてその上流側に設けた冷却器の冷却量を増減することで各反応部の温度を適正に制御する構成がとられている（例えば、特許文献１参照）。また、変成部の温度検出器の検出温度に基づいて予熱蒸発器への水供給量を増減、あるいは、加熱部への燃焼用空気供給郎を増減することで変成部の温度を適正に制御する構成がとられている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００１−１８０９０５号公報 特開２００８−０１９１５９号公報

しかしながら、水素生成装置に供給される原料供給部、水供給部の異常により、原料指示値、水指示値に対応する原料供給量、水供給量が水素生成装置に供給されなければ一定量の水素及び一酸化炭素濃度の低い水素を生成することはできない。また、原料に対する水の比率（スチームカーボン比（以下、「Ｓ／Ｃ」という））が小さくなると改質触媒上に炭素が析出し、水素生成装置の故障に繋がる。さらに、原料に対する水の比率（Ｓ／Ｃ
）が大きくなると低温時に水分が凝縮し、触媒が劣化し、水素生成装置の故障に繋がる。したがって、簡便でかつ速やかに各供給部からの供給量が適正であるかを把握できる水素生成装置の実現が望まれている。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムでは、原料と水が供給されて改質反応により水素含有ガスを生成させる改質部と、改質部の温度を検出する改質温度検出部と、改質部に原料供給量指示値に応じた原料を供給する原料供給部と、改質部に水供給量指示値に応じた水を供給する水供給部と、改質部により生成された水素含有ガス中の一酸化炭素濃度を低減させる変成部と、変成部で一酸化炭素濃度が低減された水素含有ガスと酸素含有ガスが供給されて発電し、電力供給先の電力負荷の変化に追従して発電する燃料電池と、変成部で一酸化炭素濃度が低減された水素含有ガスのうち燃料電池で消費されなかった残りの水素含有ガスを燃焼させて改質部の改質反応に必要な熱を供給する燃焼部と、改質温度検出部で検出される改質温度に基づいて原料供給部へ原料供給量指示値を出力すると共に水供給部へ水供給量指示値を出力する運転制御部とを備え、運転制御部は、燃料電池が有する任意の発電量を発電した後の予め設定される期間、燃料電池を電力負荷の変化に追従させず動作させ、原料供給部および水供給部を、予め設定される指示値で動作させ、指示値から予想される予想改質温度と、改質温度検出部で検出される検出改質温度との温度差が、所定温度差以上であれば、予め設定される指示値に対応する原料が、原料供給部から指示通りに供給されていない、または、予め設定される指示値に対応する水が、水供給部から指示通りに供給されていないと判断し、さらに、原料指示値に対応する原料供給量、または、水指示値に対応する水供給量を補正する機能を持ってなる、または、アラームを外部出力する機能を持ってなる構成とする。

本発明の燃料電池システムによれば、原料供給部、水供給部から水素生成装置に供給される原料供給量、水供給量が適正であるかを判断し、さらに原料指示値に対応する原料供給量、または、水指示値に対応する水供給量を補正することができる。その結果、一定量の水素及び一酸化炭素濃度の低い水素を生成することができる。また、原料供給部、水供給部から水素生成装置に供給される原料供給量、水供給量が異常であるかを判断し、アラームを外部出力することができる。その結果、水素生成装置の故障を未然に防ぐことができる。

本発明の実施の形態１における燃料電池システムの概略構成図 本発明の実施の形態１における水素生成装置の特徴的な動作の１サイクルを模式的に示すフローチャート

第１の発明は、原料と水が供給されて改質反応により水素含有ガスを生成させる改質部と、改質部の温度を検出する改質温度検出部と、改質部に原料供給量指示値に応じた原料を供給する原料供給部と、改質部に水供給量指示値に応じた水を供給する水供給部と、改質部により生成された水素含有ガス中の一酸化炭素濃度を低減させる変成部と、変成部で一酸化炭素濃度が低減された水素含有ガスと酸素含有ガスが供給されて発電し、電力供給先の電力負荷の変化に追従して発電する燃料電池と、変成部で一酸化炭素濃度が低減された水素含有ガスのうち燃料電池で消費されなかった残りの水素含有ガスを燃焼させて改質部の改質反応に必要な熱を供給する燃焼部と、改質温度検出部で検出される改質温度に基づいて原料供給部へ原料供給量指示値を出力すると共に水供給部へ水供給量指示値を出力する運転制御部とを備え、運転制御部は、燃料電池が有する任意の発電量を発電した後の予め設定される期間、燃料電池を電力負荷の変化に追従させず動作させ、原料供給部およ
び水供給部を、予め設定される指示値で動作させ、指示値から予想される予想改質温度と、改質温度検出部で検出される検出改質温度との温度差が、所定温度差以上であれば、予め設定される指示値に対応する原料が、原料供給部から指示通りに供給されていない、または、予め設定される指示値に対応する水が、水供給部から指示通りに供給されていないと判断し、さらに、原料指示値に対応する原料供給量、または、水指示値に対応する水供給量を補正する機能を持ってなる、または、アラームを外部出力する機能を持ってなる構成とする。

第２の発明は、特に、第１の発明の燃料電池システムにおいて、運転制御部は、燃料電池が有する任意の発電量を発電した後の予め設定される期間、燃料電池を電力負荷の変化に追従させず動作させ、原料供給部および水供給部を、予め設定される指示値で動作させ、指示値から予想される予想改質温度より、改質温度検出部で検出される検出改質温度の方が高い場合、予め設定される指示値に対応する原料が、原料供給部から多く供給されている、または、予め設定される指示値に対応する水が、水供給部から少なく供給されていると、または、指示値から予想される予想改質温度より、改質温度検出部で検出される検出改質温度の方が低い場合、予め設定される指示値に対応する原料が、原料供給部から少なく供給されている、または、予め設定される指示値に対応する水が、水供給部から多く供給されていると判断し、さらに、原料指示値に対応する原料供給量、または、水指示値に対応する水供給量を補正する機能を持ってなる、または、アラームを外部出力する機能を持ってなる構成とする。

第３の発明は、特に、第１の発明の燃料電池システムにおいて、運転制御部は、燃料電池が有する任意の発電量を発電した後の予め設定される期間、燃料電池を電力負荷の変化に追従させず動作させ、原料供給部および水供給部を、予め設定される指示値で動作させ、指示値から予想される予想改質温度より、改質温度検出部で検出される検出改質温度の方が高い場合、原料供給部への指示値を減量し、水供給部への指示値を増量する、または、指示値から予想される予想改質温度より、改質温度検出部で検出される検出改質温度の方が低い場合、原料供給部への指示値を増量し、水供給部への指示値を減量する構成とする。

第４の発明は、特に、第１の発明の燃料電池システムにおいて、運転制御部は、燃料電池が有する任意の発電量を発電した後の予め設定される期間、燃料電池を電力負荷の変化に追従させず動作させ、原料供給部および水供給部を、予め設定される指示値で動作させ、指示値から予想される予想改質温度より、改質温度検出部で検出される検出改質温度の方が高い場合、または、指示値から予想される予想改質温度より、改質温度検出部で検出される検出改質温度の方が低い場合、原料供給部からの原料供給量、または、水供給部からの水供給量が異常であると判断し、アラームを外部出力する機能を持ってなる構成とする。

以下、図面を参照しながら、本発明による実施形態をより具体的に説明する。

（実施の形態１）
〈燃料電池システムの構成〉
図１は、本発明に係る燃料電池システム１００の実施の形態１を示す概略構成図である。

燃料電池システム１００は、水素含有ガスを生成させる水素生成装置１と、水素生成装置１から供給された水素含有ガスを用いて発電を行う燃料電池８と、水素生成装置１から燃料電池８へ切換弁９Ａを介して水素ガスを供給する水素ガス供給経路１２と、燃料電池８で排出されるアノードオフガスを水素生成装置１の燃焼部２へ切換弁９Ｂを介して供給
するオフガス供給経路１４とを備えている。切換弁９Ａは燃料電池バイパス経路２３により切換弁９Ｂに接続されている。なお、一般的な固体高分子型の燃料電池８と同等の構成なので、その他の構成の詳細な説明は省略する。

水素生成装置１は、水素生成装置１に水を供給する水供給部３と、硫黄成分を含む炭化水素系の原料を通過させて、原料に含まれる硫黄成分を吸着して除去する脱硫部５と、脱硫部５を通過させた後の原料と水供給部３から供給される水とを用いて水素含有ガスを生成させる改質器２２と、脱硫部５に供給される原料の流量（原料流量）を制御するための原料供給部４と、原料供給部４や水供給部３の動作を制御する運転制御部１６とを備えている。

改質器２２は、螺旋状で、水供給部３から供給される水を蒸発させるとともに、原料と水蒸気の混合ガスを予熱する水蒸気発生部１５と、原料と水蒸気との改質反応を進行させる改質部２０と、改質部２０で生成した水素含有ガス中の一酸化炭素と水蒸気とを変成反応させて、水素含有ガスの一酸化炭素濃度を低減させる変成部１３を有している。また、変成部１３を通過した後の水素含有ガス中に残留する一酸化炭素を、空気供給部１９から変成部１３を通過した後の水素含有ガスに供給される空気を用いて、主に酸化させて除去する選択酸化部１７とを有している。改質部２０にはＲｕ系の改質触媒、変成部１３にはＣｕ−Ｚｎ系の変成触媒、選択酸化部１７にはＲｕ系の選択酸化触媒が設けられている。また、改質部２０における改質触媒（あるいは水素含有ガス）の温度（反応温度）を検出する改質温度検出部２１を備えている。

また、改質器２２は、改質部２０における改質反応に必要な反応熱を供給するための燃焼部２を備えている。燃焼部２は、加熱源となる燃焼ガスを燃焼させるバーナー、及び燃焼部２に燃料用空気を供給する、燃焼空気供給部となる燃焼ファン１８を有している。燃焼部２で燃焼させる燃焼ガスは、水素ガス供給経路１２から燃料電池バイパス経路２３を介して、あるいは燃料電池８を経てオフガス供給経路１４から燃焼部２に供給される。改質器２２によって生成された水素含有ガスは、水素ガス供給経路１２を介して燃料電池８に供給される。

また、改質部２０と水蒸気発生部１５は、燃焼部２で発生させた燃焼排ガスから、内筒１１の壁面を介して熱を供給される構成となっている。なお、改質部２０、変成部１３及び選択酸化部１７の構成において、一般的な構成と同様な構成部分についての図示、及び詳細な説明は省略する。

脱硫部５に供給される炭化水素系の原料は、炭化水素等の少なくとも炭素及び水素元素から構成される有機化合物を含む原料であればよく、例えばメタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ等である。ここでは、原料の供給源として都市ガスのガスインフラライン６を用い、そのガスインフラライン６に脱硫部５が接続されている。脱硫部５は、上流側及び下流側に配置された脱硫接続部７に着脱可能な形状を有しており、脱硫部５の硫黄成分に対する吸着量が飽和して吸着特性が低下すると、新しい脱硫部５に交換できる構成となっている。本実施の形態における脱硫部５には、都市ガス中の付臭成分である硫黄化合物を吸着させる、ゼオライト系吸着除去剤が充填されている。また、脱硫接続部７は、原料の流通を制御する弁機能も有し、例えば構成に電磁弁が設けられる。なお、脱硫部５は、水添脱硫を用いた構成としてもよい。

水供給部３は、流量調節機能を有するポンプを有している。原料供給部４は、脱硫部５と改質器２２とを接続する原料供給経路１０に配置され、改質器２２に供給される原料の流量を制御することによって、ガスインフラライン６から脱硫部５に供給される原料の流量を制御している。なお、原料供給部４は、脱硫部５に供給される原料の流量を制御でき
ればよく、原料供給部４の下流側に配置されていてもよい。本実施の形態では、原料供給部４はブースターポンプを有しており、例えば入力する電流パルス、入力電力等を制御することにより、脱硫部５に供給される原料の流量を調節する機能を有している。

運転制御部１６は、改質器２２の水素含有ガスの運転動作を制御する制御部であり、ここでは、原料供給部４から改質器２２に供給される原料の供給量、水供給部３から改質器２２に供給される水の供給量などの制御、接続部７や切換弁９Ａ、９Ｂなどの動作の制御を行う。また、燃料電池８の運転動作も制御する（詳細な動作説明は省略する）。なお、運転制御部１６は、半導体メモリーやＣＰＵ等により、改質器２２の運転動作シーケンス、原料積算流量など運転情報等を記憶し、状況に応じた適切な動作条件を演算し、かつ、水供給部３や原料供給部４等の運転に必要な構成に動作条件を指令する。

〈燃料電池システムの運転動作〉
次に、燃料電池システム１００の起動動作、発電時の運転動作、及び停止動作を、水素生成装置１の動作を中心にして説明する。

停止状態から水素生成装置１を起動させる場合、運転制御部１６からの指令により、原料は原料供給部４から原料供給経路１０を通して改質器２２へ供給される。水蒸気発生部１５、改質部２０、変成部１３、選択酸化部１７を経た原料は、水素ガス供給経路１２、燃料電池バイパス経路２３を介してオフガス供給経路１４から燃焼部２へ供給され、燃焼部２で着火されて改質器２２の加熱が開始する。

燃焼部２での加熱開始の後に、水供給部３を動作させて改質器２２に水を供給し、水と原料との改質反応を開始させる。本実施の形態では、メタンを主成分とする都市ガス（１３Ａ）を原料とする。水供給部３からの水供給量は、都市ガスの平均分子式中の炭素原子数１モルに対して水蒸気が３モル程度になるように制御される（Ｓ／Ｃで３程度）。さらに、空気供給部１９を動作させて改質器２２に空気を供給する。空気供給部１９からの空気供給量は、水素含有ガスに含まれる酸素量が一酸化炭素の約２倍のモル数となるよう制御される。改質器２２では、改質部２０で水蒸気改質反応、変成部１３で変成反応、選択酸化部１７で一酸化炭素の選択酸化反応を進行させる。この時、改質温度検出部２１で検出される温度に基づいて、改質部２０、変成部１３，選択酸化部１７が各反応に適した温度になるように、燃焼部２の燃焼を制御する。

一酸化炭素濃度を所定濃度（本実施の形態では、ドライガスベースで２０ｐｐｍ以下）まで低減させた後、切換弁９Ａ、９Ｂを動作させ、水素ガス供給経路１２を通して水素含有ガスを燃料電池８に供給することで、燃料電池８において発電動作が行われる。また、燃料電池８で排出されるアノードオフガスは、オフガス供給経路１４を通り、燃焼部２へ供給される。なお、発電運転の際には、運転制御部１６は、改質温度検出部２１の検出温度が所定温度となるよう、原料供給部４、水供給部３、空気供給部１９、及び燃焼ファン１８の動作を制御することで原料供給量、水供給量、空気供給量、燃焼空気供給量を制御する。

燃料電池システム１００の運転を停止させる場合、運転制御部１６からの指令により、切換弁９Ａ、９Ｂを動作させて、燃料電池８に供給している水素含有ガスを、燃料電池バイパス経路２３を通して燃焼部２に供給する。その後、水供給部３と原料供給部４と空気供給部１９の動作を停止させて、水と原料と空気の供給を停止させ、水素生成装置１の動作を停止させる。なお、水素生成装置１の停止動作には、切換弁９Ａ、９Ｂを動作させて改質器２２を封止する動作や、改質器２２が降温して体積減少する量に相当する量の原料を供給する動作等の、改質器２２内に外気の混入を極力防止する動作を併設して行うことが好ましい。

次に、本発明の実施の形態１に係る水素生成装置１の特徴的な動作について、図１及び図２を参照しながら説明する。

図２は、本発明の実施の形態１に係る水素生成装置１の特徴的な動作の１サイクルを模式的に示すフローチャートである。なお、実際には、燃料電池システム１００の発電運転の際、例えば、図２に示す１サイクルの動作が断続することなく連続して実行される。

さて、水素生成装置１において水素含有ガスの生成が開始されると、燃料電池システム１００が備える運転制御部１６は、電力負荷の変化に追従するよう水素含有ガスの生成量を制御する。具体的には、原料供給部４、水供給部３、空気供給部１９、燃焼ファン１８の動作を制御することで原料供給量、水供給量、空気供給量、燃焼空気供給量を制御し、電力負荷に応じた量の水素含有ガスを生成するとともに、改質温度検出部２１の検出温度を所定温度に制御する。この動作に対して、本実施の形態１では、電力負荷の変化への追従制御を停止し（ステップＳ１）、追従制御停止の直前の電力負荷において固定発電運転を行う。このとき、運転制御部１６は、電力負荷毎に予め設定されている指示値で、原料供給部４、水供給部３、空気供給部１９、燃焼ファン１８を動作させる（ステップＳ２）。ここで、各供給部の動作が正常であれば、各指示値１に対する各供給量１は同等である（指示値１＝供給量１）。そして、改質温度検出部２１で検出される改質温度が安定したときの改質温度Ｔ_Ｒを取得する（ステップＳ３）。

そして、運転制御部１６は、改質温度Ｔ_Ｒが運転制御部１６の記憶部に予め設定される上限温度（各指示値１から予想される改質温度より所定値以上高い温度）Ｔ_Ｈ以上であるか否かを判定する（ステップＳ４Ａ）。ここで、運転制御部１６は、改質温度Ｔ_Ｒが運転制御部１６の記憶部に予め設定される上限温度Ｔ_Ｈ以上ではないと判定した場合（ステップＳ４ＡでＮＯ）、改質温度Ｔ_Ｒが運転制御部１６の記憶部に予め設定される下限温度Ｔ_Ｌ（各指示値１から予想される改質温度より所定値以上低い温度）以下であるか否かを判定する（ステップＳ４Ｂ）。ここで、運転制御部１６は、改質温度Ｔ_Ｒが運転制御部１６の記憶部に予め設定される下限温度Ｔ_Ｌ以下ではないと判定した場合（ステップＳ４ＢでＮＯ）、改質温度Ｔ_Ｒを再び取得する。

一方、運転制御部１６は、改質温度Ｔ_Ｒが運転制御部１６の記憶部に予め設定される
上限温度Ｔ_Ｈ以上であると判定した場合（ステップＳ４ＡでＹＥＳ）、原料供給部４、水供給部３の少なくとも一方の指示値１に対して供給量１が供給されていない（指示値１≠供給量１）と判断し、さらに改質温度Ｔ_Ｒが運転制御部１６の記憶部に予め設定される上限温度Ｔ_ＨＨ（各指示値１から予想される改質温度より所定値以上高い温度）以上であるか否かを判定する（ステップＳ５Ａ）。ここで、運転制御部１６は、改質温度Ｔ_Ｒが運転制御部１６の記憶部に予め設定される上限温度Ｔ_ＨＨ以上であると判定した場合（ステップＳ５ＡでＹＥＳ）、異常と判断し、アラームを出力する（ステップＳ６）。一方、運転制御部１６は、改質温度Ｔ_Ｒが運転制御部１６の記憶部に予め設定される上限温度Ｔ_ＨＨ以上ではないと判定した場合（ステップＳ５ＡでＮＯ）、原料供給部４への指示値を下げ、原料供給量を減量、水供給部３への指示値を上げ、水供給量を増量する（ステップＳ７Ａ）。ここで、原料供給部４からの原料供給量の減量は、予め設定される減量データに従い実行される。また、同様にして、水供給部３からの水供給量の増量も、予め設定される増量データに従い実行される。

そして、運転制御部１６は、ステップＳ７Ａにおいて原料供給部４からの原料が減量、水供給部３からの水供給量が増量された後、改質温度Ｔ_Ｒが運転制御部１６の記憶部に予め設定される上限温度Ｔ_Ｈ０（各指示値１から予想される改質温度より所定値以上高い温度）以下ではないと判定した場合（ステップＳ８ＡでＮＯ）、再び原料供給部４への指示
値を下げ、原料供給量を減量、水供給部３への指示値を上げ、水供給量を増量する（ステップＳ７Ａ）。一方、改質温度Ｔ_Ｒが運転制御部１６の記憶部に予め設定される上限温度Ｔ_Ｈ０以下であると判定した場合（ステップＳ８ＡでＹＥＳ）、さらに、改質温度Ｔ_Ｒが運転制御部１６の記憶部に予め設定される下限温度Ｔ_ＬＬ以下であるか否かを判定する（ステップＳ９Ａ）。ここで、運転制御部１６は、改質温度Ｔ_Ｒが運転制御部１６の記憶部に予め設定される下限温度Ｔ_ＬＬ以下であると判定した場合（ステップＳ９ＡでＹＥＳ）、異常と判断し、アラームを出力する（ステップＳ１０）。一方、改質温度Ｔ_Ｒが運転制御部１６の記憶部に予め設定される下限温度Ｔ_ＬＬ以下ではないと判定した場合（ステップＳ９ＡでＮＯ）、さらに、改質温度Ｔ_Ｒが運転制御部１６の記憶部に予め設定される下限温度Ｔ_Ｌ０以上かつ上限温度Ｔ_Ｈ０以下であるか否かを判定する（ステップＳ１１Ａ）。ここで、運転制御部１６は、改質温度Ｔ_Ｒが運転制御部１６の記憶部に予め設定される下限温度Ｔ_Ｌ０以上かつ上限温度Ｔ_Ｈ０以下ではないと判定した場合（ステップＳ１１ＡでＮＯ）、原料供給部４への指示値を上げ、原料供給量を増量、水供給部３への指示値を下げ、水供給量を減量する（ステップＳ１３Ａ）。ここで、原料供給部４からの原料供給量の増量は、予め設定される増量データに従い実行される。また、同様にして、水供給部３からの水供給量の減量も、予め設定される減量データに従い実行される。そして、再び改質温度Ｔ_Ｒが運転制御部１６の記憶部に予め設定される上限温度Ｔ_Ｈ０以下であるか否かを判定する（ステップＳ８Ａ）。一方、運転制御部１６が、改質温度Ｔ_Ｒが運転制御部１６の記憶部に予め設定される下限温度Ｔ_Ｌ０以上かつ上限温度Ｔ_Ｈ０以下であると判定した場合（ステップＳ１１ＡでＹＥＳ）、このときの原料供給部４、水供給部３への各指示値を供給量１における新指示値１と設定する（新指示値１≒供給量１）（ステップＳ１２Ａ）。

一方、運転制御部１６は、改質温度Ｔ_Ｒが運転制御部１６の記憶部に予め設定される下限温度Ｔ_Ｌ以下であると判定した場合（ステップＳ４ＢでＹＥＳ）、原料供給部４、水供給部３の少なくとも一方の指示値１に対して供給量１が供給されていない（指示値１≠供給量１）と判断し、さらに改質温度Ｔ_Ｒが運転制御部１６の記憶部に予め設定される下限温度Ｔ_ＬＬ（各指示値１から予想される改質温度より所定値以上低い温度）以下であるか否かを判定する（ステップＳ５Ｂ）。ここで、運転制御部１６は、改質温度Ｔ_Ｒが運転制御部１６の記憶部に予め設定される下限温度Ｔ_ＬＬ以下であると判定した場合（ステップＳ５ＢでＹＥＳ）、異常と判断し、アラームを出力する（ステップＳ６）。一方、運転制御部１６は、改質温度Ｔ_Ｒが運転制御部１６の記憶部に予め設定される下限温度Ｔ_ＬＬ以下ではないと判定した場合（ステップＳ５ＢでＮＯ）、原料供給部４への指示値を上げ、原料供給量を増量、水供給部３への指示値を下げ、水供給量を減量する（ステップＳ７Ｂ）。ここで、原料供給部４からの原料供給量の増量は、予め設定される増量データに従い実行される。また、同様にして、水供給部３からの水供給量の減量も、予め設定される減量データに従い実行される。

そして、運転制御部１６は、ステップＳ７Ｂにおいて原料供給部４からの原料が増量、水供給部３からの水供給量が減量された後、改質温度Ｔ_Ｒが運転制御部１６の記憶部に予め設定される下限温度Ｔ_Ｌ０（各指示値１から予想される改質温度より所定値以上低い温度）以上ではないと判定した場合（ステップＳ８ＢでＮＯ）、再び原料供給部４への指示値を上げ、原料供給量を増量、水供給部３への指示値を下げ、水供給量を減量する（ステップＳ７Ｂ）。一方、改質温度Ｔ_Ｒが運転制御部１６の記憶部に予め設定される下限温度Ｔ_Ｌ０以上であると判定した場合（ステップＳ８ＢでＹＥＳ）、さらに、改質温度Ｔ_Ｒが運転制御部１６の記憶部に予め設定される上限温度Ｔ_ＨＨ以上であるか否かを判定する（ステップＳ９Ｂ）。ここで、運転制御部１６は、改質温度Ｔ_Ｒが運転制御部１６の記憶部に予め設定される上限温度Ｔ_ＨＨ以上であると判定した場合（ステップＳ９ＢでＹＥＳ）、異常と判断し、アラームを出力する（ステップＳ１０）。一方、改質温度Ｔ_Ｒが運転制御部１６の記憶部に予め設定される上限温度Ｔ_ＨＨ以上ではないと判定した場合（ステッ
プＳ９ＢでＮＯ）、さらに、改質温度Ｔ_Ｒが運転制御部１６の記憶部に予め設定される下限温度Ｔ_Ｌ０以上かつ上限温度Ｔ_Ｈ０以下であるか否かを判定する（ステップＳ１１Ｂ）。ここで、運転制御部１６は、改質温度Ｔ_Ｒが運転制御部１６の記憶部に予め設定される下限温度Ｔ_Ｌ０以上かつ上限温度Ｔ_Ｈ０以下ではないと判定した場合（ステップＳ１１ＢでＮＯ）、原料供給部４への指示値を下げ、原料供給量を減量、水供給部３への指示値を上げ、水供給量を増量する（ステップＳ１３Ｂ）。ここで、原料供給部４からの原料供給量の減量は、予め設定される減量データに従い実行される。また、同様にして、水供給部３からの水供給量の増量も、予め設定される増量データに従い実行される。そして、再び改質温度Ｔ_Ｒが運転制御部１６の記憶部に予め設定される下限温度Ｔ_Ｌ０以上であるか否かを判定する（ステップＳ８Ｂ）。一方、運転制御部１６が、改質温度Ｔ_Ｒが運転制御部１６の記憶部に予め設定される下限温度Ｔ_Ｌ０以上かつ上限温度Ｔ_Ｈ０以下であると判定した場合（ステップＳ１１ＢでＹＥＳ）、このときの原料供給部４、水供給部３への各指示値を供給量１における新指示値１と設定する（新指示値１≒供給量１）（ステップＳ１２Ｂ）。

このように、本実施の形態に係る水素生成装置１は、原料供給部４、水供給部３における指示値と供給量のずれを補正する点で、従来の水素生成装置１の動作と異なっている。

ここで、原料供給部４、水供給部３、空気供給部１９、燃焼ファン１８を各指示値１で動作させたとき、改質温度Ｔ_Ｒが指示値１から予想される改質温度より高くなる、あるいは低くなる理由を説明する（ステップＳ４Ａ、ステップＳ４Ｂ）。

まず、改質温度Ｔ_Ｒが予想される改質温度より高くなる、あるいは低くなるとき、原料供給部４から供給される原料供給量が原料指示値に対して供給されていない、あるいは、水供給部３から供給される水供給量が水指示値に対して供給されていないことが考えられる。

ここで、空気供給部１９から供給される空気供給量が空気指示値に対して供給されていなくても、空気指示値と空気供給量との差異が少量であれば、改質温度Ｔ_Ｒの温度変化には殆ど影響はない。それは、選択酸化部１７における空気と一酸化炭素との反応は発熱反応であり、空気供給量により選択酸化部１７の温度は多少変動するが、改質温度に比べると選択酸化温度は十分に低いからである。また、空気指示値と空気供給量との差異が多量（空気指示値＞空気供給量）である場合は、選択酸化部１７において空気と一酸化炭素との反応が低減され、一酸化炭素を除去できないため、燃料電池８が一酸化炭素により被毒され、発電運転の継続が不可能となる。また、空気指示値と空気供給量との差異が多量（空気指示値＜空気供給量）である場合は、空気と一酸化炭素との反応は発熱反応であるため、選択酸化部１７の温度は上昇し、一定温度を超えると、水素含有ガス中の水素がメタン化し、選択酸化部１７の温度は過昇温する。したがって、この場合も水素生成装置１の運転、及び発電運転の継続が不可能となる。

一方、燃焼ファン１８の場合は、燃焼ファン空気供給量が燃焼ファン空気指示値に対して供給されているか否かを燃焼ファン電圧と燃焼ファン回転数との関係から確認することができるからである。なお、例えば、燃焼ファン１８の上流側、あるいは、下流側に燃焼ファン空気流量計を設置し、燃焼ファン空気供給量が燃焼ファン空気指示値に対して供給されているかを確認してもよい。

ところで、原料供給部４を原料指示値１、水供給部３を水指示値１で動作させたときの原料供給量が原料供給量１、水供給量が水供給量１より少量であったとき、改質温度は上昇する。これは、改質触媒上における原料と水の改質反応は吸熱反応であり、Ｓ／Ｃが低いほど吸熱反応が進行せず、吸熱量が小さくなるからである。

また、原料供給部４を原料指示値１、水供給部３を水指示値１で動作させたときの原料供給量が原料供給量１により多量で、水供給量が水供給量１であったとき、改質温度は上昇する。これは、原料供給量が増加することにより生成される水素含有ガスの発熱量が増加し、燃料電池８からのオフガスの発熱量が増加するからである。また、改質触媒上における原料と水の改質反応は吸熱反応であり、Ｓ／Ｃが低いほど吸熱反応が進行せず、吸熱量が小さくなるからである。

逆に原料供給部４を原料指示値１、水供給部３を水指示値１で動作させたときの原料供給量が原料供給量１、水供給量が水供給量１より多量であったとき、改質温度は下降する。これは、改質触媒上における原料と水の改質反応は吸熱反応であり、Ｓ／Ｃが高いほど吸熱反応が進行し、吸熱量が大きくなるからである。

また、原料供給部４を原料指示値１、水供給部３を水指示値１で動作させたときの原料供給量が原料供給量１より少量で、水供給量が水供給量１であったとき、改質温度は下降する。これは、原料供給量が減少することにより生成される水素含有ガスの発熱量が減少し、燃料電池８からのオフガスの発熱量が減少するからである。また、改質触媒上における原料と水の改質反応は吸熱反応であり、Ｓ／Ｃが高いほど吸熱反応が進行し、吸熱量が大きくなるからである。

ここで、原料供給部４を原料指示値１、水供給部３を水指示値１で動作させたときの原料供給量が原料供給量１より少量、かつ、水供給量が水供給量１より少量であったときは、原料供給量、水供給量のどちらかが少量のときに比べると、改質温度は大きく変化しない。これは、原料供給量が減少することにより生成される水素含有ガスの発熱量が減少し、燃料電池８からのオフガスの発熱量が減少するが、原料供給量と水供給量とがともに減少するため、改質触媒上における原料と水の吸熱反応における吸熱量が小さくなるためである。

逆に、原料供給部４を原料指示値１、水供給部３を水指示値１で動作させたときの原料供給量が原料供給量１より多量、かつ、水供給量が水供給量１より多量であったときは、原料供給量、水供給量のどちらかが多量のときに比べると、改質温度は大きく変化しない。これは、原料供給量が増加することにより生成される水素含有ガスの発熱量が増加し、燃料電池８からのオフガスの発熱量が増加するが、原料供給量と水供給量とがともに増加するため、改質触媒上における原料と水の吸熱反応における吸熱量が大きくなるからである。

なお、本実施の形態１では、改質温度Ｔ_Ｒの上限値をＴ_Ｈ、Ｔ_ＨＨ、Ｔ_Ｈ０、下限値をＴ_Ｌ、Ｔ_ＬＬ、Ｔ_Ｌ０としたが、例えば、原料供給部４、水供給部３、空気供給部１９、燃焼ファン１８を各指示値１で動作させ、原料供給部４、水供給部３の少なくともどちらかの指示値（供給量）をずらしたとき、水素含有ガス中の水素量、一酸化炭素濃度、または、改質部２０、変成部１３、選択酸化部１７の各触媒、あるいは改質器２２の構造体等に、例えば発電効率低下などの不具合を生じさせ得る原料指示値、水指示値を予め実験、シミュレーション等で算出しておき、原料供給部４、水供給部３をその原料指示値、水指示値で、空気供給部１９、燃焼ファン１８を指示値１で動作させ、安定した時の改質温度を上限値、下限値と設定してもよい。

次に、原料供給部４、水供給部３、空気供給部１９、燃焼ファン１８を各指示値１で動作させたとき、改質温度Ｔ_Ｒが指示値１から予想される改質温度より高くなる（Ｔ_Ｒ≧Ｔ_ＨＨ）、あるいは低くなる（Ｔ_Ｒ≦Ｔ_ＬＬ）とき、異常と判断し、アラームを出力する理由を説明する（ステップＳ５Ａ、ステップＳ５Ｂ）。

まず、原料供給部４、水供給部３、空気供給部１９、燃焼ファン１８を各指示値１で動作させたとき、改質温度Ｔ_Ｒが指示値１から予想される改質温度より高くなる（Ｔ_Ｒ≧Ｔ_ＨＨ）場合であるが、前述のとおり、原料供給部４、水供給部３の少なくともどちらかの指示値に対する供給量のずれによるＳ／Ｃの下降が考えられ、場合によっては、改質触媒上に炭素が析出する可能性があるからである。一方、原料供給部４、水供給部３、空気供給部１９、燃焼ファン１８を各指示値１で動作させたとき、改質温度Ｔ_Ｒが指示値１から予想される改質温度より低くなる（Ｔ_Ｒ≦Ｔ_ＬＬ）場合であるが、前述のとおり、原料供給部４、水供給部３の少なくともどちらかの指示値に対する供給量のずれによるＳ／Ｃの上昇が考えられ、場合によっては、低温時に水素含有ガス中の水分が凝縮し、触媒が劣化する可能性があるからである。

なお、アラームを出力した場合、燃料電池８、および水素生成装置１の運転を停止すればよい。また、サービスメンテナンス会社と顧客宅の燃料電池８とをオンラインで接続し、アラーム出力時にサービスメンテナンス会社に通報するようにしてもよい。また、改質温度の上限値Ｔ_ＨＨ、下限値Ｔ_ＬＬを何通りか設定することで、軽度の異常であれば、サービスマンが故障部品を入手し顧客宅に出向くまでの期間、継続運転をしてもよい。もちろん、異常を監視した上で継続運転を行うため、安全性は確保できる。なお、ここではステップＳ５Ａ、ステップ５Ｂについて説明したが、ステップＳ９Ａ、ステップ９Ｂも同様の理由である。

次に、原料供給部４、水供給部３、空気供給部１９、燃焼ファン１８を各指示値１で動作させたとき、改質温度Ｔ_Ｒが指示値１から予想される改質温度より高くなるとき、原料指示値を下げ、水指示値を上げる、あるいは低くなるとき、原料指示値を上げ、水指示値を下げる理由を説明する（ステップＳ７Ａ、ステップＳ７Ｂ）。

まず、改質温度Ｔ_Ｒが指示値１から予想される改質温度より高くなる場合、前述のとおりＳ／Ｃの下降が考えられる。よって、原料指示値を下げ、水指示値を上げることで、Ｓ／Ｃを上昇させ、Ｓ／Ｃは正常値と同等、あるいはそれに近づけるのである。このとき、同時に改質温度は下降する。逆に、改質温度Ｔ_Ｒが指示値１から予想される改質温度より低くなる場合、前述のとおりＳ／Ｃの上昇が考えられる。よって、原料指示値を上げ、水指示値を下げることで、Ｓ／Ｃを下降させ、Ｓ／Ｃは正常値と同等、あるいはそれに近づけるのである。このとき、同時に改質温度は上昇する。

そして、改質温度が、予め設定した水素含有ガス中の水素量、一酸化炭素濃度、または、改質部２０、変成部１３、選択酸化部１７の各触媒、あるいは改質器２２の構造体等に不具合を生じさせない改質温度域であるＴ_Ｌ０≦Ｔ_Ｒ≦Ｔ_Ｈ０（ステップＳ１１Ａ、ステップＳ１１Ｂ）に到達したときの原料指示値、水指示値を、それぞれ原料供給量１、水供給量１に対する新原料指示値１、新水指示値１として新たに設定する（ステップＳ１２Ａ、ステップＳ１２Ｂ）ことで、Ｓ／Ｃのずれを正常値と同等、あるいはそれに近い値に補正することができ、一定量の水素及び一酸化炭素濃度の低い水素を生成することができる。また、改質触媒上への炭素析出、及び、触媒上での水分の凝縮を防ぐことができ、水素生成装置１の故障を防止できる。

なお、実施の形態１では、選択酸化部１７および空気供給部１９を配置した構成としたが、これらを配置しない構成でもよく、適宜選択されていればよいことはいうまでもない。

また、実施の形態１では、変成部１３に変成温度検出部、選択酸化部１７に選択酸化温度検出部を設けていないが、将来センサーレス化が進んだ場合においても、改質温度検出
部２１で検出される改質温度により、原料供給部４、水供給部３からの原料供給量、水供給量が適正であるかを判断し、原料指示値に対応する原料供給量、水指示値に対応する水供給量を補正することができる、または、原料供給部４、水供給部３からの原料供給量、水供給量が異常であるかを判断し、アラームを外部出力することができるため、一定量の水素及び一酸化炭素濃度の低い水素を生成することができる。また、水素生成装置の故障を未然に防ぐことができることはいうまでもない。

本発明は、原料供給部、水供給部から水素生成装置に供給される原料供給量、水供給量が適正であるかを判断し、さらに原料指示値に対応する原料供給量、または、水指示値に対応する水供給量を補正することができ、一定量の水素及び一酸化炭素濃度の低い水素を生成することができる。また、原料供給部、水供給部から水素生成装置に供給される原料供給量、水供給量が異常であるかを判断し、アラームを外部出力することができ、水素生成装置の故障を未然に防ぐことができる燃料電池システムに有用である。

１ 水素生成装置
２ 燃焼部
３ 水供給部
４ 原料供給部
５ 脱硫部
６ ガスインフラライン
７ 脱硫接続部
８ 燃料電池
９Ａ、９Ｂ 切換弁
１０ 原料供給経路
１１ 内筒
１２ 水素ガス供給経路
１３ 変成部
１４ オフガス経路
１５ 水蒸気発生部
１６ 運転制御部
１７ 選択酸化部
１８ 燃焼ファン
１９ 空気供給部
２０ 改質部
２１ 改質温度検出部
２２ 改質器
２３ 燃料電池バイパス経路
１００ 燃料電池システム

Claims (4)

1. 原料と水が供給されて改質反応により水素含有ガスを生成させる改質部と、
   前記改質部の温度を検出する改質温度検出部と、
   前記改質部に原料供給量指示値に応じた原料を供給する原料供給部と、
   前記改質部に水供給量指示値に応じた水を供給する水供給部と、
   前記改質部により生成された前記水素含有ガス中の一酸化炭素濃度を低減させる変成部と、
   前記変成部で一酸化炭素濃度が低減された前記水素含有ガスと酸素含有ガスが供給されて発電し、電力供給先の電力負荷の変化に追従して発電する燃料電池と、
   前記変成部で一酸化炭素濃度が低減された前記水素含有ガスのうち前記燃料電池で消費されなかった残りの前記水素含有ガスを燃焼させて前記改質部の改質反応に必要な熱を供給する燃焼部と、
   前記改質温度検出部で検出される改質温度に基づいて前記原料供給部へ前記原料供給量指示値を出力すると共に前記水供給部へ前記水供給量指示値を出力する運転制御部と
   を備え、
   前記運転制御部は、前記燃料電池が有する任意の発電量を発電した後の予め設定される期間、前記燃料電池を電力負荷の変化に追従させず動作させ、
   前記原料供給部および前記水供給部を、予め設定される指示値で動作させ、
   前記指示値から予想される予想改質温度と、
   前記改質温度検出部で検出される検出改質温度との温度差が、
   所定温度差以上であれば、
   予め設定される指示値に対応する原料が、前記原料供給部から指示通りに供給されていない、
   または、
   予め設定される指示値に対応する水が、前記水供給部から指示通りに供給されていないと判断し、さらに、原料指示値に対応する原料供給量、または、水指示値に対応する水供給量を補正する機能を持ってなる、
   または、
   アラームを外部出力する機能を持ってなる燃料電池システム。
2. 前記運転制御部は、前記燃料電池が有する任意の発電量を発電した後の予め設定される期間、前記燃料電池を電力負荷の変化に追従させず動作させ、
   前記原料供給部および前記水供給部を、予め設定される指示値で動作させ、
   前記指示値から予想される予想改質温度より、
   前記改質温度検出部で検出される検出改質温度の方が高い場合、
   予め設定される指示値に対応する原料が、前記原料供給部から多く供給されている、
   または、
   予め設定される指示値に対応する水が、前記水供給部から少なく供給されていると、
   または、
   前記指示値から予想される予想改質温度より、
   前記改質温度検出部で検出される検出改質温度の方が低い場合、
   予め設定される指示値に対応する原料が、前記原料供給部から少なく供給されている、
   または、
   予め設定される指示値に対応する水が、前記水供給部から多く供給されていると、
   判断し、さらに、原料指示値に対応する原料供給量、または、水指示値に対応する水供給量を補正する機能を持ってなる、
   または、
   アラームを外部出力する機能を持ってなる請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記運転制御部は、前記燃料電池が有する任意の発電量を発電した後の予め設定される期間、前記燃料電池を電力負荷の変化に追従させず動作させ、
   前記原料供給部および前記水供給部を、予め設定される指示値で動作させ、
   前記指示値から予想される予想改質温度より、
   前記改質温度検出部で検出される検出改質温度の方が高い場合、
   前記原料供給部への指示値を減量し、前記水供給部への指示値を増量する、
   または、
   前記指示値から予想される予想改質温度より、
   前記改質温度検出部で検出される検出改質温度の方が低い場合、
   前記原料供給部への指示値を増量し、前記水供給部への指示値を減量する、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記運転制御部は、前記燃料電池が有する任意の発電量を発電した後の予め設定される期間、前記燃料電池を電力負荷の変化に追従させず動作させ、
   前記原料供給部および前記水供給部を、予め設定される指示値で動作させ、
   前記指示値から予想される予想改質温度より、
   前記改質温度検出部で検出される検出改質温度の方が高い場合、
   または、
   前記指示値から予想される予想改質温度より、
   前記改質温度検出部で検出される検出改質温度の方が低い場合、
   前記原料供給部からの原料供給量、または、前記水供給部からの水供給量が異常であると判断し、アラームを外部出力する機能を持ってなる請求項１に記載の燃料電池システム。